GTAW pourrait-il être chaud

Dans le fil chaud GTAW (GTAW-HW), un fil chauffé (à droite) est acheminé vers l'arrière d'un bain de soudure en fusion créé par l'arc de l'électrode de tungstène (à gauche).

Envisagez une application automatisée de soudage de tuyaux. Vous utiliserez très probablement un procédé de soudage à l'arc au tungstène (GTAW) alimenté par fil pour la passe de racine, puis vous arrêterez et passerez à un procédé de soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW) ou de soudage à l'arc submergé (SAW) pour les passes de remplissage et de capuchon. Pour ce faire, déplacez le tuyau vers un poste de soudage séparé ou remplacez les sources d'alimentation et la configuration de la torche.

C'est une procédure courante, bien sûr, mais cela prend du temps. En fait, pourquoi ne pas simplement conserver la source d'alimentation, le dévidoir et la torche automatisés GTAW et chauffer le fil au lieu d'utiliser des processus séparés pour les passes de fond et de remplissage ? Pourquoi ne pas simplement utiliser le procédé GTAW à fil chaud (GTAW-HW) ? Ce n'est pas une idée farfelue compte tenu du succès historique de GTAW-HW dans l'industrie pétrolière et gazière, en particulier avec le revêtement.

Bien sûr, cela ne s'applique pas à certaines applications de soudage de tuyaux, et GTAW-HW ne peut pas dépasser les taux de dépôt de, disons, SAW jumelé ou tandem. Mais ce n'est vraiment pas une simple question d'un procédé de soudage en devançant un autre. Garder le même équipement pour toutes les passes de soudure dans une soudure de tuyau élimine le changement, simplifie la formation de l'opérateur et prend moins d'espace au sol.

Les faibles taux de dépôt et les vitesses de déplacement lentes ont été le talon d'Achille de GTAW. Dans l'ensemble de la fabrication, si une usine a automatisé son GTAW, via la robotique ou autrement, c'est probablement parce que des exigences strictes en matière de qualité des soudures l'exigent et que les exigences de débit sont trop élevées pour les processus manuels. Mais GTAW n'a pas besoin d'être lent, et c'est là que réside le véritable potentiel de GTAW-HW.

GTAW-HW utilise deux alimentations indépendantes. On alimente l'électrode de tungstène pour produire l'arc de soudage ; l'autre ne produit pas du tout d'arc mais utilise à la place une résistance électrique pour chauffer un fil qui est alimenté à travers un tube de contact (similaire à la pointe de contact dans le soudage à l'arc sous gaz) et dans le bain de soudure.

L'arc de l'électrode de tungstène fait simplement fondre le métal de base pour créer un bain de soudure. Un mécanisme séparé alimente le fil à travers un tube de contact et dans le bain de soudure. Le tube de contact est alimenté par l'alimentation électrique à fil chaud et préchauffe le fil à travers une résistance électrique à un niveau juste au point de fusion lorsqu'il pénètre dans le bain de soudure derrière (ou parfois sur le côté) de l'électrode de tungstène. Parce que le fil est chauffé au point de fusion, il ne refroidit pas le bain de soudure mais favorise plutôt un bon mouillage lorsque le fil fond et s'écoule à travers le bain de soudure fondu jusqu'aux bords de la soudure.

Notez que le chauffage du fil a lieu entre le tube de contact et le bain de soudure. Et tant que l'extension de fil est sous la coupelle de gaz de protection de la torche, une protection de gaz séparée n'est pas nécessaire sur la torche à fil chaud.

Le chauffage du fil augmente les taux de dépôt. Il peut également réduire la dilution entre le métal fondu et le métal de base. Une telle configuration est connue pour déposer 12 livres ou plus de métal fondu par heure lors du soudage à plat, et 2 à 8 livres. par heure en position 2G (horizontale). Dans certains cas, le GTAW-HW peut souder quatre fois plus vite que le GTAW conventionnel.

Le procédé GTAW-HW est conçu pour le soudage mécanisé et n'est pas pratique pour un fonctionnement manuel. C'est parce que le fil doit être alimenté à une vitesse constante dans une zone définie, généralement dans la partie arrière du bain de soudure ; c'est là que le bain de soudure est le plus grand, donnant au fil la plus grande cible. C'est ce qu'on appelle le point d'impact du fil, et le régler pour la pièce est une partie essentielle d'une configuration à fil chaud. Il est également nécessaire de maintenir une hauteur de torche et une distance pointe-pièce constantes sur le fil. Il y a tout simplement trop de variables à contrôler pour un fonctionnement manuel.

Placé à côté de la torche GTAW, le tube de contact ressemble beaucoup à l'extrémité d'une torche GMAW, mais vous ne voulez pas qu'il se comporte comme tel. C'est-à-dire que vous ne voulez pas qu'il devienne tellement excité qu'il crée un arc séparé. Cet arc créera des éclaboussures à seulement 0,125 pouce de l'électrode de tungstène, ce qui contaminera à son tour l'électrode.

Une torche double GTAW-HW gaine le diamètre intérieur d'un tuyau.

Pour cette raison, la source d'alimentation à fil chaud (là encore, séparée de la source d'alimentation alimentant l'électrode de tungstène) est conçue pour empêcher la formation d'un arc. La formation d'arc nécessite une tension minimale, et si le système reste en dessous de ce seuil, à la fois pendant la tension initiale en circuit ouvert (OCV) et la tension de fonctionnement, aucun arc ne peut se produire.

Peu ou pas d'autres sources d'alimentation de soudage électrique nécessitent un OCV aussi faible. D'autres processus comme le soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW), GMAW et SAW ont besoin d'un OCV élevé pour aider à amorcer l'arc. La source d'alimentation à fil chaud dans GTAW-HW vise à avoir un OCV si bas qu'il soit presque égal à la tension de fonctionnement.

Cela peut être réalisé via des circuits ou via un logiciel, dont les détails peuvent plonger profondément dans la conception de la source d'alimentation. Mais la conception n'est pas nouvelle, en particulier en ce qui concerne les circuits. Dans les années 1960, Gus Manz, un ingénieur en soudage qui a littéralement écrit le livre sur la conception des sources d'alimentation (The Welding Power Handbook), a utilisé un transformateur à tension constante qui permettait à l'OCV d'être équivalent aux volts de fonctionnement.

Les systèmes modernes utilisent des circuits d'allumage électroniques à angle de phase ou la technologie des onduleurs, mais l'idée est fondamentalement la même : maintenir l'OCV pour qu'il reste le même que la tension à laquelle le système fonctionne. Encore une fois, les tensions OCV et de fonctionnement sont si basses (parfois inférieures à 3 V) qu'aucun arc ne peut se produire. D'autres sources d'alimentation utilisent un logiciel pour obtenir le même résultat, en détectant les caractéristiques électriques de la formation d'arc, puis en ajustant avant que l'arc ait une chance de se produire.

Étant donné que GTAW-HW utilise deux sources d'alimentation indépendantes, une certaine déviation de l'arc est inévitable. Même si la source d'alimentation à fil chaud ne produit pas d'arc, elle produit toujours un champ électromagnétique qui interagit avec l'arc sur l'électrode de tungstène.

Chaque source d'alimentation peut fonctionner en courant continu (DC) ou en courant alternatif (AC). Le courant continu est le plus courant pour la source d'alimentation de la torche GTAW. Pour la source d'alimentation à fil chaud, le courant alternatif a tendance à faciliter le processus. Son champ électromagnétique dévie l'arc de soudage vers l'avant et vers l'arrière dans le bain de soudure, créant un effet d'agitation. Cela améliore le mouillage des bords et aide à briser les oxydes de surface dans le bain de soudure, minimisant les inclusions.

Le courant alternatif de la source d'alimentation à fil chaud, qui fait à nouveau osciller l'arc d'avant en arrière, plie l'arc vers l'avant. Cela favorise ce que l'on appelle le suivi des électrodes et permet une vitesse de déplacement plus rapide. Classiquement, une torche ne peut se déplacer qu'à une certaine vitesse avant que l'arc ne soit en retard. Dans un scénario de suivi d'électrode, l'arc oscillant balaie plus vers l'avant que vers l'arrière, produisant une caractéristique électrique qui envoie la vitesse de déplacement de la torche à une vitesse élevée.

Les sources d'alimentation à fil chaud peuvent fonctionner avec un courant constant (CC), mais une tension constante (CV) est généralement plus avantageuse. Dans une situation de CV, l'opérateur augmente la tension du fil chaud jusqu'à ce qu'il entende un "claquement" dans l'arc, puis réduit la tension juste en dessous de ce point (environ 0,1 V). A partir de là, le processus devient autorégulateur et auto-adaptatif. Lorsque le dépassement du fil augmente, le courant chute ; lorsque l'alimentation en fil augmente, le courant augmente et la tension reste constante, en toute sécurité en dessous du niveau auquel un arc se formera.

Les caractéristiques de l'alimentation à fil chaud CV sont similaires à celles du GMAW ; à mesure que la vitesse d'alimentation du fil augmente, le courant augmente, et à mesure que le dépassement du fil augmente, le courant diminue. Cela dit, la variation du courant de fil chaud a un effet négligeable sur la pénétration du cordon de soudure, puisqu'il n'est utilisé que pour faire fondre le fil de soudure.

Comme dans GMAW, GTAW-HW a tendance à bénéficier du choix du fil de plus grand diamètre qui est pratique. Un fil de plus grand diamètre est moins cher et permet également un dépôt plus important à une vitesse d'alimentation en fil plus lente, simplement parce qu'il s'agit d'un fil plus gros. Cela améliore à son tour la durée de vie du tube de contact. Un fil plus gros réduit également la surface par rapport au volume global de soudure (rapport de volume surface/soudure inférieur), ce qui minimise la contamination de la soudure. Le plus gros fil est également plus rigide et moins susceptible de se déplacer. Et encore une fois, le diamètre du fil n'a aucune influence sur la pénétration puisqu'il ne fait que déposer du métal dans le bain de soudure. La pénétration de la soudure est fonction du courant sur l'arc de soudage.

GTAW-HW recouvre la surface d'un alésage qui se croise.

Grâce au métal d'apport chauffé, l'arc de l'électrode de tungstène a maintenant beaucoup moins à faire qu'avec le GTAW conventionnel (à fil froid). Dans le GTAW à fil froid conventionnel, la chaleur de l'arc doit faire fondre le métal de base et le fil de soudage ajouté.

Ajouté à froid dans le GTAW conventionnel, le fil est généralement introduit dans le bord d'attaque du bain de soudure devant l'arc. Avec GTAW-HW, le métal d'apport chauffé augmente les taux de dépôt et les vitesses de déplacement car l'énergie de l'arc peut être consacrée en grande partie à la création du bain de soudure et non à la fusion du fil ajouté. Cela produit la qualité de soudure du GTAW conventionnel mais dans un ensemble beaucoup plus productif.

L'une des raisons pour lesquelles le procédé peut obtenir une excellente fusion même à des taux de dilution très faibles est le fait que la chaleur de l'arc fait fondre le métal de base et que le fil chaud est ajouté à l'arrière du bain de soudure derrière l'électrode. Le chauffage du fil avant qu'il n'entre dans le bain de soudure aide également. Au fur et à mesure que le fil chauffe jusqu'au point de fusion, les impuretés de surface sur le fil, le lubrifiant d'étirage et l'alimentation contribuent à la combustion.

Tout cela a attiré l'attention de l'industrie pétrolière et gazière sur GTAW-HW. Alors que l'industrie pétrolière continue de forer plus profondément, le pétrole qu'elle extrait est plus susceptible d'être acide. L'huile acide réagit avec l'acier non protégé et provoque une fissuration induite par l'hydrogène, un problème qui a conduit à des pannes d'un milliard de dollars (c'est-à-dire un milliard avec un "b"). Le coût élevé, les longs délais de livraison et les formes complexes des pièces sous-marines des champs pétrolifères font de GTAW la solution idéale, grâce à sa soudure de haute qualité avec des taux de rejet très faibles. Mais le volume élevé de métal d'apport nécessaire rend indispensables les gains de productivité du procédé au fil chaud.

Une grande partie de l'industrie pétrolière et gazière travaille selon des normes qui exigent que le revêtement soudé ait une composition chimique inférieure à 5 % de fer. Pour atteindre ces faibles niveaux de dilution, l'industrie doit s'appuyer sur un procédé à faible dilution comme GTAW-HW.

De nombreuses applications de revêtement de pétrole et de gaz impliquent des géométries complexes et difficiles, et les critères d'acceptation sont extrêmement stricts, impliquant des techniques d'inspection telles que les tests par ressuage et par ultrasons.

Concevoir certaines configurations, c'est comme construire un bateau dans une bouteille. Il n'est pas rare que la torche et le dévidoir atteignent 40 pieds sur un diamètre de 5 pouces. tuyau ou 3 pieds à l'intérieur d'une vanne à l'intersection de deux alésages qui se croisent. Ces applications critiques impliquent une surveillance intensive des arcs et parfois des caméras vidéo. Les ampères, les volts, la vitesse de déplacement et toutes les autres variables sont suivis en temps réel pour maintenir le processus dans les limites de tolérance.

Étant donné que bon nombre de ces pièces sont en matériau à haute résistance et faiblement allié (HSLA), elles doivent être préchauffées. Un programme de robot généré à partir d'un modèle CAO ne tiendrait pas compte de la croissance thermique, les opérateurs doivent donc effectuer un apprentissage manuel. Pourtant, l'enseignement ne prend pas longtemps. Ils établissent les points de démarrage et d'arrêt, et à partir de là, le logiciel calcule les dizaines et parfois les centaines de points de démarrage et d'arrêt de soudage entre les deux, sans intervention de l'opérateur. Après le soudage, ces pièces critiques sont soumises à un traitement thermique post-soudage (PWHT) dans un four pour réduire la dureté de la zone affectée par la chaleur du métal de base afin de maintenir la dureté dans les spécifications requises.

Le PWHT peut être un processus long, et s'il est effectué trop de fois, il peut affecter la qualité de la pièce. Si une pièce est défectueuse et doit être ressoudée, cela ajoute des coûts, mais les coûts ne s'arrêtent pas là. Vous ne pouvez PWHT qu'un certain nombre de fois avant qu'une pièce coûteuse ne doive être mise au rebut. Cet environnement ne peut pas tolérer les défauts de soudure, ce qui explique encore une fois pourquoi ces applications pétrolières et gazières et d'autres s'appuient sur GTAW-HW depuis si longtemps.

GTAW-HW possède certaines caractéristiques inhérentes qui rendent ces applications difficiles encore plus fiables et reproductibles. Il s'agit d'un processus à faible dégagement de fumée, qui élimine les problèmes liés aux fumées et aux particules dans les espaces restreints ou confinés. Le fil est alimenté directement depuis l'arrière de l'assemblage de la torche et à travers un conduit conçu aussi droit que possible afin que le fil atteigne de manière fiable le bain de soudure. Et il n'y a pas de projections de soudure comme on le voit avec GMAW.

GTAW-HW utilise deux sources d'alimentation, une qui alimente la torche GTAW et une autre qui chauffe le fil.

Bien que l'emplacement de cette alimentation de fil dans la piscine - ce point d'impact de fil - soit critique, la cohérence du débit d'alimentation est quelque peu indulgente, du moins par rapport à GMAW. GTAW-HW est intrinsèquement plus tolérant aux variations d'alimentation mineures. La raison derrière cela remonte aux caractéristiques du processus. Supposons que le dévidoir s'arrête momentanément ou que la torche réduise sa vitesse de déplacement. Dans GMAW, une telle variation perturberait l'arc, produirait plus de projections de soudure ou même éteindrait complètement l'arc. GTAW-HW repose sur le chauffage par résistance du fil, un processus qui semble être moins sensible aux variations de dévidage et de déplacement du fil.

GTAW-HW est connu pour ses caractéristiques très stables et à faible dilution, mais cela ne limite pas nécessairement le processus à un revêtement de précision. Lorsque vous travaillez avec une géométrie de joint à rainure conventionnelle, la chaleur de l'arc dans GTAW-HW contrôle toujours la pénétration du joint et la fusion des parois latérales indépendamment de la vitesse d'alimentation du fil. Les taux de dépôt peuvent varier entre 1 et 12 lb/heure sans sacrifier la qualité de la soudure.

Les applications de fil chaud s'étendent au-delà de GTAW. En fait, des processus comme le soudage à l'arc plasma et au faisceau laser peuvent bénéficier d'un fil chauffé. Pour le soudage laser notamment, l'intégration d'une alimentation fil chaud peut permettre au laser de souder bien plus qu'il ne le pourrait seul, et à moindre coût. En effet, 1 watt (W) de photons (dans le laser) coûte très cher par rapport à 1 W d'électrons (dans le chauffage par résistance du fil).

De nombreux ingénieurs et directeurs d'usine pourraient supposer que les opérations de soudage critiques prennent simplement du temps, qu'un débit plus élevé n'est tout simplement pas dans les cartes. Mais le potentiel du fil chaud a changé la donne.

Au sens le plus large, un fil chauffé a le potentiel d'augmenter les niveaux de productivité dans de nombreux processus de soudage critiques dans l'industrie. Avec de plus en plus de fabricants de sources d'alimentation de soudage introduisant des équipements à fil chaud, les départements de soudage ont désormais une autre option à considérer.

Dan Allford est président et Dave Hebble est directeur des services techniques d'Arc Specialties.